瓦斯抽采钻孔用超细材料及封孔堵漏试验研究

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瓦斯抽采是防治瓦斯灾害、实现资源利用的重要途径,但目前瓦斯抽采浓度普遍较低。钻孔密封是瓦斯抽采中的关键环节,是实现高浓度、高质量瓦斯抽采和延长钻孔服务周期的有效手段,而钻孔密封离不开相关材料的开发与应用。本文称封孔后的微裂隙封堵过程为堵漏,所用材料为堵漏材料,通过理论分析、实验室实验开发了一种超细裂隙封堵(SFS)材料,通过实验室实验、相似材料模拟试验、工业性试验对SFS材料的主要性质和应用性能进行了测试。主要研究内容及结论如下:(1)通过分析瓦斯抽采钻孔围岩的稳定性,明晰了钻孔漏气原因以及注浆材料对漏气通道的封堵作用,基于此导出堵漏材料的配制应充分考虑可泵性、渗透性、粘结力等因素,并对SFS材料的基本原料进行选择。(2)在前期探索性实验的基础上使用超细化硫铝酸盐水泥熟料、石灰、石膏作为主要原料,并掺加减水剂、增效剂、纳米材料配制出一种具有良好裂隙渗透能力、流动性能,早强,与煤体粘结能力强的SFS材料,通过单因素实验明确了水固比、QL的质量分数、PCS掺量、NCC掺量对SFS材料流动性能、凝结时间和稳定性的影响,获知了各因素的合理设置范围。(3)通过正交试验进一步明确了各因素对SFS材料各项性能的影响程度,经综合分析优选配比为A3B3C2D3、A3B3C3D3、A3B4C2D3、A3B4C3D3,再通过流动度测试、凝结时间测试、膨胀率测试、抗压强度测试进一步确定最佳配比为A3B4C3D3,应用最佳配比的SFS材料进行材料微观形貌测试、煤体可注性测试、与煤结合性能测试,并与注浆用SC材料进行对比,验证了SFS材料在微裂隙封堵方面的优良性能。(4)采用相似材料模拟试验对应力作用下钻孔形貌变化以及堵漏前后钻孔漏气量变化进行测试,结果表明:钻孔会在持续性应力作用下不断变形,漏气通道也会不断变化,使用SFS材料对钻孔微裂隙进行封堵可以显著降低钻孔的漏气量同时降低漏气量上升的速率,具有良好的裂隙封堵效果。(5)使用SFS材料开展封孔堵漏工业性试验,采用“封堵一体化”封孔器和膨胀性无机材料进行封孔后,使用SFS材料封堵钻孔微裂隙,并与普通钻孔进行对比,试验结果表明:SFS材料堵漏后钻孔浓度实现大幅跃升,整体浓度平均值较对比钻孔增大一倍,平均抽采浓度超过40%的钻孔占总数30%,超过30%的钻孔占总数70%,而同期对比钻孔平均抽采浓度超过40%的钻孔仅占14%,超过30%的钻孔仅占28%。本文含图83幅,表17个,参考文献121篇。
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